DE69603401T2

DE69603401T2 - Method and device for feeding preheated oxygen into a high-temperature reactor

Info

Publication number: DE69603401T2
Application number: DE69603401T
Authority: DE
Inventors: Lawrence J. Delaune; Norman J. Eger; Geoffrey Rhys Say; James Howard Taylor; Mark L. Tiller; Gerald A. Wilcox
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1995-04-04
Filing date: 1996-04-01
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2016-04-02
Also published as: US5588974A; EP0736485B1; EP0736485A1; CA2172755C; AU695905B2; DE69603401D1; NO961324D0; NO961324L; CA2172755A1; AU5047896A

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Einleiten von hochreinem vorgewärmtem Sauerstoff in einen Hochtemperaturreaktor, wobei ein Kohlenwasserstoff-Einsatzprodukt mit Dampf und Sauerstoff, oder mit Sauerstoff reagiert wird, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erhalten.The invention relates to improvements in a process and apparatus for introducing high purity preheated oxygen into a high temperature reactor, wherein a hydrocarbon feedstock is reacted with steam and oxygen, or with oxygen, to obtain hydrogen and carbon monoxide.

Hochreiner Sauerstoff, insbesondere vorgewärmter Sauerstoff, ist ein sehr reaktives Mittel, das oft als Oxidationsmittel in der chemischen Industrie und in der Raffinerie-Industrie eingesetzt wird. Ein hochwertiges Metallrohr, das einen Strom von vorgewärmtem Sauerstoff beim Ablassen zu einer Reaktionszone leitet, kann entzündet, verbrannt und vollständig zerstört werden; oder seine Temperatur kann auf einen Wert erhöht werden, bei dem das Rohr in seiner Struktur geschwächt und unsicher wird. Um diese unzumutbaren Zustände zu vermeiden, ist bei gegenwärtiger Praxis die maximale Vorwärmtemperatur für Sauerstoff etwa 260ºC (500ºF).High purity oxygen, especially preheated oxygen, is a very reactive agent, often used as an oxidizer in the chemical and refining industries. A high-quality metal pipe carrying a stream of preheated oxygen when discharged to a reaction zone can be ignited, burned, and completely destroyed; or its temperature can be raised to a level where the pipe becomes structurally weakened and unsafe. To avoid these unacceptable conditions, current practice sets the maximum preheat temperature for oxygen at about 500ºF (260ºC).

Bei einem Fluidbett-Synthesegas-Erzeugungsverfahren (FBSG) wird Synthesegas (Wasserstoff und Kohlenmonoxid) durch Reaktion bei hohen Temperaturen in einem fluidisierten Bett von einem Katalysator, oder von einem Katalysator und festen Verdünnungen, zwischen niedermolekulargewichtigen Kohlenwasserstoffen, Dampf und Sauerstoff erzeugt. Unsere EP-A-335 668 beschreibt einen derartigen FBSG-Prozeß und eine Vorrichtung, die zu seiner Durchführung geeignet ist.In a fluidized bed synthesis gas generation (FBSG) process, synthesis gas (hydrogen and carbon monoxide) is produced by reaction at high temperatures in a fluidized bed of a catalyst, or of a catalyst and solid diluents, between low molecular weight hydrocarbons, steam and oxygen. Our EP-A-335 668 describes such a FBSG process and an apparatus suitable for carrying it out.

Es wäre besonders vorteilhaft, die Sauerstoffeinspeisung auf Temperaturen oberhalb von 260ºC (500ºF) vorzuwärmen. Die Verwendung einer höher vorgewärmten Sauerstoffeinspeisung würde eine wirksamere Prozeßwärmequelle schaffen und es würde weniger Sauerstoff bei dem Prozeß verbraucht werden; da sowohl die Prozeßwärme als auch der Sauerstoffverbrauch wesentliche Kostenfaktoren sind.It would be particularly advantageous to preheat the oxygen feed to temperatures above 260ºC (500ºF). Using a higher preheated oxygen feed would provide a more efficient process heat source and less oxygen would be consumed in the process; since both process heat and oxygen consumption are significant cost factors.

Der Sauerstoffverbrauch wird daher nicht nur durch die Stöchiometrie, sondern auch durch eine Technik oder eine Einrichtung zum sicheren Einführen des Sauerstoffs in den Reaktor bei Temperaturen oberhalb von 260ºC (500ºF) eingestellt. Für einen FBSG-Reaktor, der bei einer bestimmten Temperatur arbeitet, ist die erforderliche Sauerstoffmenge umgekehrt proportional zu der Menge an Vorwärme, die an die verschiedenen Einsatzströme angelegt wird. Weniger Sauerstoff ist in einem Prozeß erforderlich, bei dem der Sauerstoff, der in den Reaktor eintritt, auf mehr als 260ºC (500ºF) vorgewärmt wird, als in einem Prozeß, bei dem der in den Prozeß eintretende Sauerstoff auf eine Temperatur von weniger als 260ºC (500ºF) vorgewärmt wird. Da ferner Überschußbrennstoff üblicherweise vor Ort verfügbar ist, um den Sauerstoff auf eine Temperatur von mehr als 260ºC (500ºF) zu erwärmen, liegt der Nettoeffekt in einem kostengünstigeren Prozeß (es wird weniger Sauerstoff verbraucht und der Überschußbrennstoff wird besser genutzt).Oxygen consumption is therefore controlled not only by stoichiometry but also by a technique or means for safely introducing oxygen into the reactor at temperatures above 260ºC (500ºF). For an FBSG reactor operating at a given temperature, the amount of oxygen required is inversely proportional to the amount of preheat applied to the various feed streams. Less oxygen is required in a process where the oxygen entering the reactor is preheated to more than 260ºC (500ºF) than in a process where the oxygen entering the process is preheated to a temperature less than 260ºC (500ºF). Furthermore, since excess fuel is usually available on site to heat the oxygen to a temperature greater than 260ºC (500ºF), the net effect is a less expensive process (less oxygen is consumed and the excess fuel is better utilized).

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid in einer Reaktionszone durch Kontakt zwischen einem Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial mit einem niederen Molekulargewicht, Dampf und Sauerstoff, oder zwischen einem Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial von niederem Molekulargewicht und Sauerstoff bei hoher Temperatur, die im allgemeinen von etwa 815ºC (1500ºF) bis etwa 1371ºC (2500ºF) und mehr reicht, am häufigsten von etwa 815ºC (1500ºF) bis etwa 1093ºC (2000ºF), um Dampfreformierungs- oder Teiloxidationsreaktionen oder um sowohl Teiloxidations- als auch Dampfreformierungsreaktionen zu erzeugen. In dem Verfahren wird Sauerstoff mit einer Reinheit von etwa 50% bis etwa 100%, vorzugsweise von etwa 75% bis etwa 90% oder mehr bezogen auf das Volumen auf Temperaturen vorgewärmt, die von mehr als 260ºC (500ºF) auf etwa 649ºC (1200ºF) reichen und vorzugsweise von etwa 315ºC (600ºF) bis etwa 538ºC (1000ºF), in die Reaktionszone durch einen Reaktordüseneinlaß eingeleitet, der einen rohrförmigen Körper aufweist, der aus einer Legierungszusammensetzung gebildet ist, die mindestens etwa 70% Nickel, vorzugsweise mindestens etwa 72% Nickel, und insbesondere von etwa 70% bis etwa 80% Nickel, von etwa 13% bis etwa 17% Chrom, vorzugsweise von etwa 14% bis etwa 17% Chrom, und von etwa 5% bis etwa 12% Eisen, vorzugsweise von etwa 6% bis etwa 10% Eisen basierend auf dem Gesamtgewicht der Legierungszusammensetzung aufweist, und die ausreicht, um der Oxidationswärme des vorgewärmten Sauerstoffs ohne Entzündung und Verbrennung der Legierungszusammensetzung standzuhalten. Inconel 600 und andere Legierungen auf Nickelbasis der 600er Serie sind Beispiele für derartige Legierungen.The invention relates to improvements in a process and apparatus for producing hydrogen and carbon monoxide in a reaction zone by contact between a low molecular weight hydrocarbon feedstock, steam and oxygen, or between a low molecular weight hydrocarbon feedstock and oxygen at high temperature, generally ranging from about 815°C (1500°F) to about 1371°C (2500°F) and above, most commonly from about 815°C (1500°F) to about 1093°C (2000°F), to produce steam reforming or partial oxidation reactions, or to produce both partial oxidation and steam reforming reactions. In the process, oxygen having a purity of from about 50% to about 100%, preferably from about 75% to about 90% or more by volume is preheated to temperatures ranging from greater than 260°C (500°F) to about 649°C (1200°F), and preferably from about 315°C (600°F) to about 538°C (1000°F), into the reaction zone through a reactor nozzle inlet having a tubular body, formed from an alloy composition comprising at least about 70% nickel, preferably at least about 72% nickel, and more preferably from about 70% to about 80% nickel, from about 13% to about 17% chromium, preferably from about 14% to about 17% chromium, and from about 5% to about 12% iron, preferably from about 6% to about 10% iron based on the total weight of the alloy composition, and which is sufficient to withstand the heat of oxidation of the preheated oxygen without ignition and combustion of the alloy composition. Inconel 600 and other 600 series nickel-based alloys are examples of such alloys.

Die Scripta Metallurgica 23 (1), beschreibt auf den Seiten 59 bis 64 eine Studie, die im Hinblick auf die Wirkungen einer vorherigen Exponierung von Inconel 600 mit Luft bei verschiedenen Temperaturen im Bereich von 900 bis 1120ºC auf das nachfolgende Kriechverhalten des Inconels, gemessen bei 727ºC und 75 Mpa, gemacht wurde.Scripta Metallurgica 23 (1), on pages 59 to 64, describes a study carried out on the effects of prior exposure of Inconel 600 to air at various temperatures ranging from 900 to 1120ºC on the subsequent creep behaviour of the Inconel measured at 727ºC and 75 MPa.

Die Sauerstoffreaktordüse, oder der Sauerstoffreaktordüseneinlaß besteht in allen Ausführungsformen aus einem rohrförmigen Körper, der vorzugsweise aus einer Legierungszusammensetzung gebildet ist, wobei die axiale Öffnung durch diesen mit einem Einlaß oder Einlässen für die Einleitung von vorgewärmtem Sauerstoff versehen ist, und mit einem Auslaß oder Auslässen innerhalb der rohrförmigen Körpers, zu dem eine Anzahl von Rohren geführt ist, die vorzugsweise aus einer Nickel-Chrom-Eisen- Legierung mit einer Zusammensetzung gebildet sind, die ähnlich der ist, aus der der rohrförmige Körper gebildet ist. Die Abschlußenden jedes Rohrs mit kleinem Durchmesser sind mit konzentrischen feuerfesten Buchsen versehen und abgedeckt, die nach außen über die Abschlußenden oder Spitzen jedes Rohrs mit kleinem Durchmesser vorstehen, um die Abschlußenden der Rohre vor den hohen Temperaturen in dem Reaktor zu schützen, die eine mechanische Schwächung, ein Verbrennen der Legierung und eine mögliche Bildung von Feststoffen an den Spitzen der Rohre mit kleinem Durchmesser verursachen können. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind eine oder mehrere der Sauerstoffreaktordüsen vertikal ausgerichtet und die axiale Öffnung durch den rohrförmigen Körper einer Sauerstoffreaktordüse liegt in der Mitte oder parallel zur Mittellinie oder Hauptachse des Reaktors und ist vom Boden des Reaktors nach oben in die Hochtemperatur-Reaktionszone gerichtet. In dieser vertikalen Ausrichtung ist jedes der Rohre mit kleinem Durchmesser umfangsmäßig oder konzentrisch um den Auslaß von der Sauerstoffreaktordüse angeordnet und nach unten unter Winkeln geneigt, die gemessen von einer Linie senkrecht zur axialen Öffnung durch den rohrförmigen Körper von etwa 15º bis etwa 60º, vorzugsweise von etwa 25º bis etwa 45º reicht. Im allgemeinen werden von etwa 2 bis etwa 36 und vorzugsweise von etwa 10 bis etwa 30 der Rohre mit kleinem Durchmesser in einer Sauerstoffreaktordüse von vertikaler Ausrichtung eingesetzt.The oxygen reactor nozzle, or oxygen reactor nozzle inlet, in all embodiments consists of a tubular body, preferably formed of an alloy composition, the axial opening therethrough being provided with an inlet or inlets for the introduction of preheated oxygen, and with an outlet or outlets within the tubular body to which a number of tubes are led, preferably formed of a nickel-chromium-iron alloy having a composition similar to that from which the tubular body is formed. The terminal ends of each small diameter tube are provided with and covered by concentric refractory bushings which project outwardly beyond the terminal ends or tips of each small diameter tube to protect the terminal ends of the tubes from the high temperatures in the reactor which may cause mechanical weakening, burning of the alloy and possible formation of solids at the tips of the tubes. small diameter. In a first preferred embodiment, one or more of the oxygen reactor nozzles are vertically oriented and the axial opening through the tubular body of an oxygen reactor nozzle is centered or parallel to the centerline or major axis of the reactor and is directed upwardly from the bottom of the reactor into the high temperature reaction zone. In this vertical orientation, each of the small diameter tubes is arranged circumferentially or concentrically about the outlet from the oxygen reactor nozzle and inclined downwardly at angles ranging from about 15° to about 60°, preferably from about 25° to about 45°, as measured from a line perpendicular to the axial opening through the tubular body. Generally, from about 2 to about 36, and preferably from about 10 to about 30, of the small diameter tubes are employed in a vertically oriented oxygen reactor nozzle.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die Sauerstoffreaktordüse oder der Düseneinlaß horizontal in bezug auf die Mittellinie des Reaktors angeordnet und es ragen eine oder mehrere Sauerstoffreaktordüsen durch die Seitenwand in den Reaktor auf gleichem oder unterschiedlichem Niveau. Jede Sauerstoffreaktordüse wird von einem rohrförmigen Körper gebildet, wobei die axiale Durchgangsöffnung, die in einem Sauerstoffeinlaß oder -einlässen vorgesehen ist, und ein Sauerstoffauslaß oder -auslässe aus einer Anzahl von Rohren mit kleinem Durchmesser bestehen, die im allgemeinen einer Zusammensetzung entsprechen, wie dies bei der vertikal ausgerichteten Sauerstoffreaktor-Düsenkonstruktion der Fall ist. Die Rohre mit kleinem Durchmesser sind entlang der Länge des rohrförmigen Körpers zwischen den proximalen und distalen Enden des rohrförmigen Körpers angeordnet, vorzugsweise in beabstandeten Intervallen, die von etwa 2,54 cm (1,0 inch) bis etwa 30,5 cm (12 inch) Abstand, insbesondere in Intervallen, die von etwa 3,8 cm (1,5 inch) bis etwa 7,6 cm (3,0 inch) Abstand reichen. Jede der Düsen ist nach unten unter einem Winkel geneigt, der von etwa 15º bis etwa 60º reicht, vorzugsweise von etwa 25º bis etwa 45º, gemessen von einer Linie senkrecht zur axialen Öffnung durch den rohrförmigen Körper einer Düse. Die Abschlußenden jedes Rohres mit kleinem Durchmesser sind mit konzentrischen feuerfesten Buchsen versehen und überdeckt, die nach außen über die Abschlußenden oder die Spitze jedes Rohrs mit kleinem Durchmesser vorstehen und es ist im wesentlichen die gesamte Sauerstoffreaktordüse mit einem feuerfesten Material überdeckt. Bei beiden Sauerstoffreaktor-Düsenkonstruktionen ist im wesentlichen die gesamte Sauerstoffreaktordüse in einem feuerfesten Material eingeschlossen.In a second preferred embodiment, the oxygen reactor nozzle or nozzle inlet is arranged horizontally with respect to the center line of the reactor and one or more oxygen reactor nozzles project through the side wall into the reactor at the same or different levels. Each oxygen reactor nozzle is formed by a tubular body, the axial through-opening provided in an oxygen inlet or inlets and an oxygen outlet or outlets consisting of a number of small diameter tubes generally in a composition as is the case with the vertically oriented oxygen reactor nozzle design. The small diameter tubes are arranged along the length of the tubular body between the proximal and distal ends of the tubular body, preferably at spaced intervals ranging from about 2.54 cm (1.0 inch) to about 30.5 cm (12 inch) apart, more preferably at intervals ranging from about 3.8 cm (1.5 inch) to about 7.6 cm (3.0 inch) apart. Each of the nozzles is inclined downwardly at an angle ranging from about 15º to about 60º, preferably from about 25º to about 45º, measured from a line perpendicular to the axial opening through the tubular body of a nozzle. The terminal ends of each small diameter tube are provided with and covered by concentric refractory bushings which project outwardly beyond the terminal ends or tip of each small diameter tube and substantially the entire oxygen reactor nozzle is covered with a refractory material. In both oxygen reactor nozzle designs, substantially the entire oxygen reactor nozzle is enclosed in a refractory material.

Die Eigenschaften eines bevorzugten Verfahrens und von bevorzugten Sauerstoffreaktordüsen sowie ihre Arbeitsprinzipien werden besser verständlich durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung und auf die anhängenden Zeichnungen, auf die in der Beschreibung Bezug genommen wird. Die verschiedenen Merkmale und Komponenten in den Zeichnungen sind mit Zahlen bezeichnet, wobei ähnliche Merkmale und Komponenten in den verschiedenen Figuren durch ähnliche Zahlen bezeichnet sind. Indizes werden in manchen Fällen bei Zahlen verwendet, bei denen doppelte Merkmale und Komponenten vorhanden sind, oder um ein Untermerkmal eines Bauteils von einer größeren Anordnung zu bezeichnen.The characteristics of a preferred process and oxygen reactor nozzles, as well as their principles of operation, will be better understood by reference to the following detailed description and to the accompanying drawings, which are referred to in the description. The various features and components in the drawings are designated by numbers, with similar features and components in the various figures being designated by similar numbers. Subscripts are used in some cases with numbers where duplicate features and components are present, or to designate a sub-feature of a component of a larger assembly.

Reference to the drawings

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Erfindung. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein FBSG oder einen Synthesegasreaktor mit fluidisiertem Bett, und das Bezugszeichen 20 eine bevorzugte Sauerstoffreaktordüse (oder eine Anzahl von Sauerstoffreaktordüsen), deren rohrförmiger Körper vertikal auf der Mittellinie ausgerichtet ist (oder parallel zur Mittellinie) des Reaktors;Figure 1 shows a preferred method and apparatus for carrying out this invention. In the figure, reference numeral 10 designates a FBSG or fluidized bed syngas reactor, and reference numeral 20 designates a preferred oxygen reactor nozzle (or a number of oxygen reactor nozzles) whose tubular body is aligned vertically on the centerline (or parallel to the centerline) of the reactor;

Fig. 2 zeigt diese bevorzugte Sauerstoffreaktordüse im Querschnitt; Fig. 2A zeigt eine Ansicht der Reaktordüse bei Betrachtung von oben; undFig. 2 shows this preferred oxygen reactor nozzle in cross section; Fig. 2A shows a view of the reactor nozzle when viewed from above; and

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung dieser bevorzugten Sauerstoffreaktordüse.Fig. 3 is a perspective view of this preferred oxygen reactor nozzle.

Fig. 4 zeigt ein FBSG-Reaktorgefäß im Querschnitt mit einer Sauerstoffreaktordüse, die eine zweite Ausführungsform darstellt und die in dem Reaktor horizontal ausgerichtet ist;Fig. 4 shows a FBSG reactor vessel in cross section with an oxygen reactor nozzle, which represents a second embodiment and which is oriented horizontally in the reactor;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch den Abschnitt 5- 5 der Düse von Fig. 4; undFig. 5 shows a cross section through section 5-5 of the nozzle of Fig. 4; and

Fig. 6 zeigt eine Seitenteilansicht der Düse von Fig. 4, wie sie von der Linie 6-6 gesehen wird.Fig. 6 shows a partial side view of the nozzle of Fig. 4 as viewed from line 6-6.

Detailed description of the invention

Nach Fig. 1 wird Synthesegas in einem Reaktor 10 erzeugt, der ein fluidisiertes Bett 11 enthält, in dem Teiloxidations- und Dampfreformierungsreaktionen gleichzeitig durchgeführt werden. Das fluidisierte Bett enthält einen teilchenförmigen Feststoffkatalysator und im allgemeinen auch teilchenförmige Feststoffverdünner zur Wärmeverteilung, zweckmäßigerweise hochreines α-Aluminiumoxid. Im allgemeinen wird das Bett von etwa 10% bis etwa 99,9%, vorzugsweise von etwa 80 bis etwa 99,5% der Feststoff-Verdünnungskomponente und von etwa 0,1% bis etwa 90%, vorzugsweise von etwa 0,5% bis etwa 20% des Katalysators basierend auf dem Gesamtgewicht der teilchenförmigen Feststoffe gebildet, die das fluidisierte Bett bilden.Referring to Figure 1, synthesis gas is produced in a reactor 10 containing a fluidized bed 11 in which partial oxidation and steam reforming reactions are carried out simultaneously. The fluidized bed contains a particulate solid catalyst and generally also particulate solid diluent for heat distribution, suitably high purity alpha alumina. Generally, the bed is formed from about 10% to about 99.9%, preferably from about 80 to about 99.5% of the solid diluent component and from about 0.1% to about 90%, preferably from about 0.5% to about 20% of the catalyst based on the total weight of the particulate solids forming the fluidized bed.

Wasserstoff und Kohlenmonoxid werden durch Reaktion zwischen einem Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffen mit geringem Molekulargewicht gebildet, geeigneterweise durch eine Mischung von C&sub1;-C&sub4; Alkanen, vorwiegend Methan, z. B. Erdgas, Dampf und Sauerstoff über einem fluidisierten Bett eines Katalysators basierend auf Nickel-auf-Aluminiumoxid, oder einem Katalysator und einem Feststoff-Verdünnungsmittel, bei Temperaturen, die von etwa 815,5ºC (1500ºF) bis etwa 1093ºC (2000ºF) reichen, vorzugsweise von etwa 927ºC (1700ºF) bis etwa 1010ºC (1850ºF) in einer Nettoreduktionsatmosphäre.Hydrogen and carbon monoxide are formed by reaction between a low molecular weight hydrocarbon or hydrocarbons, suitably a mixture of C₁-C₄ alkanes, predominantly methane, e.g. natural gas, steam and oxygen over a fluidized bed of a catalyst based on nickel-on-alumina, or a catalyst and a solid diluent, at temperatures ranging from about 815.5ºC (1500ºF) to about 1093ºC (2000ºF), preferably from about 927ºC (1700ºF) to about 1010ºC (1850ºF) in a net reducing atmosphere.

Der Kohlenwasserstoff wird im allgemeinen als Beimischung mit Dampf in das fluidisierte Bett 11 des Reaktors 10 über eine von einer Anzahl von Leitungen 12, die am Boden des Reaktors angeordnet sind, eingespeist, und Sauerstoff wird über eine separate Leitung 13 oder eine Anzahl von Leitungen in die Sauerstoffreaktordüse 20 (oder eine Anzahl von Sauerstoffreaktordüsen 20) eingeleitet; eine heiße »Flammen«-Zone oder Flammen-Zonen werden an Stellen gebildet, an denen der Sauerstoff in das Bett 11 durch die Düsenauslässe eintritt. Ein Wasserstoff- und Kohlenmonoxidprodukt, Dampf, Kohlendioxid, einige unkonvertierte Kohlenwasserstoffe und andere Produkte treten an einer oberen Leitung 14, einem Zyklonabscheider 15, einer oberen Leitung 17 und an einem Zyklonabscheider 16 aus, um einige der Katalysatorteilchen und Stäube zu fangen und sie über ihre jeweiligen Fallleitungen in das fluidisierte Bett 11 des Reaktors zurückzuführen. Synthesegas wird von dem Reaktor 10 über eine Leitung 18 abgenommen. Hinsichtlich der Bettdynamik haben mindestens etwa 80 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% einen mittleren Durchmesser von etwa 20 um bis etwa 130 um, vorzugsweise von etwa 30 um bis etwa 110 um.The hydrocarbon is generally fed as an admixture with steam into the fluidized bed 11 of the reactor 10 via one of a number of lines 12 located at the bottom of the reactor, and oxygen is fed via a separate line 13 or number of lines into the oxygen reactor nozzle 20 (or number of oxygen reactor nozzles 20); a hot "flame" zone or zones are formed at locations where the oxygen enters the bed 11 through the nozzle outlets. A hydrogen and carbon monoxide product, steam, carbon dioxide, some unconverted hydrocarbons and other products exit at an upper line 14, a cyclone separator 15, an upper line 17 and a cyclone separator 16 to catch some of the catalyst particles and dusts and return them to the fluidized bed 11 of the reactor via their respective downcomers. Synthesis gas is removed from the reactor 10 via a line 18. In terms of bed dynamics, at least about 80 wt.% to about 95 wt.% have an average diameter of from about 20 µm to about 130 µm, preferably from about 30 µm to about 110 µm.

Die Einzelheiten der Konstruktion der vertikal ausgerichteten Sauerstoffreaktordüse 20 werden unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 2A und 3 erläutert. Die Reaktordüse 20 wird von einem rohrförmigen Metallkörper 21, einer im Durchmesser verhältnismäßig großen Basis und einem im Durchmesser kleineren oberen Körperabschnitt gebildet, wobei die axiale Öffnung am obersten Ende von einer Metallkappe oder Abdeckung 22 überdeckt ist. Unmittelbar unter der Spitze ist eine Anzahl in Umfangsrichtung angeordneter Öffnungen vorgesehen, in denen nach unten gerichtete Metallrohre 23 mit kleinem Durchmesser angeordnet sind, deren abschließende oder distale Enden konzentrisch mit feuerfesten Rohrhülsen oder Buchsen 24 versehen sind. Das untere oder abschließende Basisende des rohrförmigen Körpers der Düse 20 ist mit einem Kragen oder einem mit Flanschen versehenen · Rohrabschnitt (nicht dargestellt) in starrer, aufrechter Position versehen und ragt durch eine Öffnung im Boden des Reaktorgefäßes 10 unter dem feuerfesten Material 26, das den Boden des Gefäßes ausgleicht. Die gesamte Düse 20 ist in einem feuerfesten Material 25 eingeschlossen, um die Düse vor der Temperatur des Reaktorgefäßes zu schützen. Die Leitung 13 ist an das unterste Ende des rohrförmigen Metallkörpers 21 angeschlossen, während das obere Ende durch eine Öffnung im Hoden des Reaktorgefäßes ragt. Sauerstoff strömt durch die Leitung 13 nach oben durch die axiale Öffnung des rohrförmigen Metallkörpers 21 und nach außen durch die nach unten gerichteten Metallrohre 23 mit kleinem Durchmesser in das fluidisierte Bett 11 des Reaktors 10.The details of the construction of the vertically oriented oxygen reactor nozzle 20 will be explained with reference to Figs. 2, 2A and 3. The reactor nozzle 20 is formed by a tubular metal body 21, a relatively large diameter base and a smaller diameter upper body portion, the axial opening at the uppermost end being covered by a metal cap or cover 22. Immediately below the tip there are a number of circumferentially arranged openings in which downwardly directed small diameter metal tubes 23 are arranged, the terminal or distal ends of which are concentrically provided with refractory tube sleeves or bushings 24. The lower or terminal base end of the tubular body of the nozzle 20 is provided with a collar or flanged tube section (not shown) in a rigid, upright position and projects through an opening in the bottom of the reactor vessel 10 beneath the refractory material 26 which levels the bottom of the vessel. The entire nozzle 20 is enclosed in a refractory material 25 to protect the nozzle from the temperature of the reactor vessel. The conduit 13 is connected to the lowermost end of the tubular metal body 21, while the upper end projects through an opening in the bottom of the reactor vessel. Oxygen flows through the line 13 upwards through the axial opening of the tubular metal body 21 and outwards through the downwardly directed small diameter metal tubes 23 into the fluidized bed 11 of the reactor 10.

Die Anzahl der Metallrohre 23 mit kleinem Durchmesser beträgt im allgemeinen von etwa 2 bis etwa 36, vorzugsweise von etwa 10 bis etwa 30 (je Sauerstoffreaktordüse 20). Die Rohre 23 können geteilt und als Feld angeordnet sein oder sie können auf einem oder mehreren Niveaus in bezug auf ihren Ort an dem rohrförmigen Metallkörper 21 angeordnet sein. Wenn die Rohre auf mehr als einem Niveau angeordnet sind, d. h. auf mehreren Niveaus, dann erhöht sich im allgemeinen die Gesamtzahl der Rohre innerhalb des rohrförmigen Körpers.The number of small diameter metal tubes 23 is generally from about 2 to about 36, preferably from about 10 to about 30 (per oxygen reactor nozzle 20). The tubes 23 may be divided and arranged in an array or they may be arranged at one or more levels with respect to their location on the tubular metal body 21. If the tubes are arranged at more than one level, i.e., at multiple levels, then the total number of tubes within the tubular body generally increases.

Die kleinen Metallrohre 23, im vorliegenden Fall 12 an der Zahl, sind auf dem gleichen Niveau angeordnet und radial voneinander durch 30º-Intervalle getrennt, sie sind ferner nach unten unter einem Winkel alpha, α, geneigt, der von einer Linie gemessen wird, die senkrecht zur axialen Öffnung durch den rohrförmigen Körper 21 der Düse 20 (Fig. 2) verläuft. Der Neigungswinkel α ist kritisch und reicht von etwa 15º bis etwa 60º, vorzugsweise von etwa 25º bis etwa 45º. Winkel dieser Größe, insbesondere der letztere, verhindern den Eintritt von Feststoffteilchen in die Düsenauslässe und unterdrücken das Durchdringen des aus der Düse ausgestoßenen Sauerstoffstrahls durch das Bett 11. Beim Aufsetzen der feuerfesten Rohrhülsen oder Buchsen 24 auf die abschließenden oder distalen Enden der kleinen Metallrohre 23 ist es auch kritisch, daß der Abstand d oder der Abstand zwischen der Spitze oder dem abschließenden Ende einer feuerfesten Buchse 24 und dem äußeren Abschlußende eines kleinen Metallrohrs 23 zumindest gleich wie der Innendurchmesser eines kleinen Rohrs 23 ist, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 10, insbesondere von etwa 2 bis etwa 6 mal der Innendurchmesser eines kleinen Rohrs 23. Die Temperatur am äußersten Ende des Metallrohrs 23 wird durch Auswahl des richtigen Wertes für d somit nahe an den des eintretenden, vorgewärmten Sauerstoffs gehalten, der wesentlich kühler als die Temperatur an der Eintrittsstelle des Sauerstoffs in das fluidisierte Bett ist. Der Wert von »d« für ein bestimmtes Metallrohr 23 variiert, wie man merkt, in gewissem Ausmaß in Abhängigkeit von der Temperatur des vorgewärmten Sauerstoffs, der Strömungsrate des Sauerstoffs durch das Metallrohr 23 und der Reinheit des Sauerstoffs, der die Oxidation und das Verbrennen von einem Teil des eintretenden Einsatzmaterials als Brennstoff verstärkt; sowie von dem Isolationswert, der durch die feuerfeste rohrförmige Hülse oder Buchse 24 selbst und das zusätzliche feuerfeste Material 25 geschaffen wird. Eine hinreichend geringe Rohrtemperatur verhindert, daß das Metall geschwächt wird und unterdrückt Ablagerungen, die sich an der Spitze bilden können oder an den Abschlußenden des Metallrohrs 23.The small metal tubes 23, in the present case 12 in number, are arranged at the same level and radially separated from each other by 30º intervals, they are further inclined downwards at an angle alpha, α, measured from a line perpendicular to the axial opening through the tubular body 21 of the nozzle 20 (Fig. 2). The inclination angle α is critical and ranges from about 15º to about 60º, preferably from about 25º to about 45º. Angles of this size, particularly the latter, prevent the entry of solid particles into the nozzle outlets and suppress the penetration of the jet of oxygen ejected from the nozzle through the bed 11. In placing the refractory tube sleeves or bushings 24 on the terminal or distal ends of the small metal tubes 23, it is also critical that the distance d or the distance between the tip or terminal end of a refractory bushing 24 and the outer terminal end of a small metal tube 23 be at least equal to the inside diameter of a small tube 23, preferably from about 1 to about 10, more preferably from about 2 to about 6 times the inside diameter of a small tube 23. The temperature at the outermost end of the metal tube 23 is thus maintained close to that of the incoming preheated oxygen, which is substantially cooler than the temperature at the point of entry of the oxygen into the fluidized bed, by selecting the proper value for d. The value of "d" for a particular metal tube 23 will be appreciated to vary to some extent depending upon the temperature of the preheated oxygen, the rate of flow of oxygen through the metal tube 23 and the purity of the oxygen which enhances the oxidation and combustion of some of the incoming feedstock as fuel; as well as the insulating value provided by the refractory tubular sleeve or bushing 24 itself and the additional refractory material 25. A sufficiently low tube temperature prevents the metal from being weakened and suppresses deposits which may form at the tip or terminal ends of the metal tube 23.

Unter Bezugnahme auf die Tabelle wird eine feuerfeste rohrförmige Buchse 24 vorzugsweise aus einer Mischung von AA-22® feuerfestem Material (oder einem ähnlichen Material, das als ein feuerfestes Material mit hohem Aluminiumoxidanteil und gebundenem, lufthärtenden Phosphat gekennzeichnet ist, das bei Raumtemperatur härtet, wie dies durch Resco Products, Inc. hergestellt wird) und einem Mörtelmaterial gebildet, das eine feuerfeste Chromoxid-phosphatgebundene Komponenete enthält. Beispiele für geeignete Chromoxid-phosphatgebundene Materialien umfassen: Jade Set Super® von A.P. Green mit 9-10% Chromoxid; und Ruby Mortar® von Harbison-Walker mit etwa 17% Chromoxid.Referring to the table, a refractory tubular sleeve 24 is preferably formed from a mixture of AA-22® refractory material (or a similar material characterized as a high alumina, bound air-curing phosphate refractory material that cures at room temperature, such as manufactured by Resco Products, Inc.) and a mortar material having a refractory Contains chromium oxide-phosphate bonded components. Examples of suitable chromium oxide-phosphate bonded materials include: Jade Set Super® from AP Green with 9-10% chromium oxide; and Ruby Mortar® from Harbison-Walker with approximately 17% chromium oxide.

Eine chemische Analyse für jedes der feuerfesten Materialien wird in Gew.-% auf calcinierter Basis in der Tabelle wie nachfolgend angegeben: Tabelle A chemical analysis for each of the refractory materials is given in wt.% on a calcined basis in the table as follows: Table

Fußnote(1): Der gesamte Kalk, Magnesiumoxid und Alkalien machen ungefähr 0,05 aus.Footnote(1): The total lime, magnesium oxide and alkalis make up about 0.05.

Die zwei feuerfesten Materialien werden im allgemeinen in Konzentrationen gemischt, bei denen die AA-22-Komponente von etwa 50% bis etwa 75% reicht, und das Chromoxidmaterial, d. h. das Jade Set Super oder Ruby Mortar von etwa 50% bis etwa 25% basierend auf dem Gewicht der Zusammensetzung. Die am meisten bevorzugte Mischung ist eine, die von etwa 75% AA-22 und etwa 25% des Chromoxidmaterials enthält.The two refractories are generally blended in concentrations where the AA-22 component ranges from about 50% to about 75% and the chromium oxide material, i.e., the Jade Set Super or Ruby Mortar, from about 50% to about 25% based on the weight of the composition. The most preferred blend is one containing from about 75% AA-22 and about 25% of the chromium oxide material.

Abgüsse können aus Mischungen von dem AA-22 und einem der Chromoxidmaterialien gemacht werden, das bei Raumtemperatur härtet, und die Abgüsse können dann leicht von den Formen getrennt werden. Ferner haben die Mischungen, die aus diesen beiden feuerfesten Stoffen hergestellt sind, eine hinreichend hohe thermische Expansion, die es erlaubt, daß die Metallrohre 23 mit dem kleinen Durchmesser eingekapselt oder eingeschlossen werden können, ohne daß eine übermäßige Spannung in dem feuerfesten Material hervorgerufen wird. Die Mischung der beiden feuerfesten Materialien zeigt auch weniger Tendenz zum Brechen bei Erhitzung als andere feuerfeste Stoffe. Außerdem ist die Mischung aus den zwei feuerfesten Materialien erosionsresistent, hitzeschockresistent und sie besitzt auch gute Korrosions-Widerstandsfähigkeit bei hohen Temperaturschlägen. Im Gegensatz dazu sind die rohrförmigen Hülsen 24, die aus dem feuerfesten Chromoxid-phosphatgebundenen Mörtel allein hergestellt sind, durch Taschen und Schichtenbildungen gekennzeichnet, die während des Trocknungsprozesses auftreten, und rohrförmige Buchsen 24, die aus dem feuerfesten Material mit hohem Aluminiumoxidanteil gemacht werden, sind durch die Anwesenheit von Rissen gekennzeichnet; (alles) Fehler, die bei der Mischung von feuerfesten Zusammensetzungen nicht auftreten.Casts can be made from mixtures of the AA-22 and one of the chromium oxide materials that harden at room temperature, and the castings can then be easily separated from the molds. Furthermore, the mixtures made from these two refractories have sufficiently high thermal expansion which allows the small diameter metal tubes 23 to be encapsulated or enclosed without inducing excessive stress in the refractory. The mixture of the two refractories also shows less tendency to crack when heated than other refractories. In addition, the mixture of the two refractories is erosion resistant, heat shock resistant and also has good corrosion resistance at high temperature shocks. In contrast, the tubular sleeves 24 made from the chromium oxide-phosphate bonded refractory mortar alone are characterized by pockets and stratification which occur during the drying process and tubular sleeves 24 made from the high alumina refractory are characterized by the presence of cracks; (all) Defects that do not occur in the mixing of refractory compositions.

Der rohrförmige Metallkörper 21 und die kleinen Metallrohre 23 der Sauerstoffreaktordüse 20 sind vorzugsweise aus Nickel-Chrom- Eisen-Legierungen gebildet, d. h. Legierungen, die Nickel, Chrom und Eisen enthalten, wobei die Komponenten davon in Gew.-% der Konzentration basierend auf dem Gesamtgewicht der Legierung wie nachfolgend angegeben sind: The tubular metal body 21 and the small metal tubes 23 of the oxygen reactor nozzle 20 are preferably formed of nickel-chromium-iron alloys, that is, alloys containing nickel, chromium and iron, the components of which are given in weight percent of the concentration based on the total weight of the alloy as follows:

Diese Legierungen auf Nickelbasis sind im allgemeinen Mitglieder der 600er Legierungsserie einschließlich Legierung 600, 690 u. ä., Inconel 600®, eine Legierung, die etwa 78 Gew.-% Nickel, von etwa 14 Gew.-% bis etwa 17 Gew.-% Chrom und von etwa 6 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% Eisen enthält und die eine besonders bevorzugte Legierung für die Anwendung dieser Erfindung ist. Ein Schlüssel- und neuartiges Merkmal der senkrecht ausgerichteten Sauerstoffreaktordüse ist darin zu sehen, daß sie keine Dampf- oder Luft-Kühlmuffe erfordert, wie sie bei anderen Sauerstoffreaktordüsen verwendet wird.These nickel-based alloys are generally members of the 600 series of alloys including alloy 600, 690 and the like, Inconel 600®, an alloy containing about 78 wt.% nickel, from about 14 wt.% to about 17 wt.% chromium, and from about 6 wt.% to about 10 wt.% iron, and which is a particularly preferred alloy for use in this invention. A key and novel feature of the vertically oriented oxygen reactor nozzle is that it does not require a steam or air cooling sleeve as used in other oxygen reactor nozzles.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine andere Ausführungsform der Sauerstoffreaktordüse (oder eine Anzahl von Sauerstoffreaktordüsen); die Düse ist in diesem Fall horizontal in bezug auf die Achse oder Mittellinie des Reaktors ausgerichtet. In Fig. 4 ist ein Grundrißschnitt eines FBSG-Reaktionsgefäßes 41 über und durch die Seitenwand 38 und die feuerfeste Auskleidung 39 gezeigt, in der eine Sauerstoffdüse 40 montiert ist. Ein Ende 401 der Düse 40 kann auf einer Stütze (nicht dargestellt) ruhen, um eine weitere Bewegung während der thermischen Expansionen und Kontraktionen zuzulassen und es wird Zugang zu der Düse durch eine mit Flansch versehene Öffnung 381 geschaffen, die mit einer abnehmbaren Abdeckplatte versehen ist. Das gegenüberliegende Ende der Düse 40 ragt durch die Seitenwand des Reaktors 41 und durch eine Flanschöffnung 382, wobei Sauerstoff in den Reaktor 41 über eine Leitungsöffnung 32 eingeleitet wird. Aufgrund der intensiven Reaktionswärme und möglicherweise auch aufgrund der Gefäßwand 38 von verhältnismäßig großem Durchmesser kann eine Dampfmuffe 43 vorgesehen sein; ein Dampfkühlmittel wird in die Muffe 43 (Fig. 5) über eine Leitung 34 eingeleitet und heißer Dampf wird durch eine Leitung 35 abgezogen, nachdem das eingeleitete Dampfkühlmittel durch die Muffe geströmt und zurückgekehrt ist.Figures 4, 5 and 6 show another embodiment of the oxygen reactor nozzle (or a number of oxygen reactor nozzles); the nozzle in this case is oriented horizontally with respect to the axis or centerline of the reactor. In Figure 4, a plan view of an FBSG reaction vessel 41 is shown across and through the side wall 38 and refractory lining 39 in which an oxygen nozzle 40 is mounted. One end 401 of the nozzle 40 may rest on a support (not shown) to allow further movement during thermal expansions and contractions and access to the nozzle is provided through a flanged opening 381 provided with a removable cover plate. The opposite end of the nozzle 40 extends through the side wall of the reactor 41 and through a flange opening 382, with oxygen being introduced into the reactor 41 through a conduit opening 32. Due to the intense heat of reaction and possibly also due to the relatively large diameter of the vessel wall 38, a steam sleeve 43 may be provided; a steam coolant is introduced into the sleeve 43 (Fig. 5) through a conduit 34 and hot steam is withdrawn through a conduit 35 after the introduced steam coolant has passed through the sleeve and returned.

Es wird insbesondere Bezug genommen auf Fig. 5, die einen Schnitt 5-5 durch die Sauerstoffdüse 40 zeigt. Die Sauer stoffdüse wird von einem rohrförmigen Metallkörper oder einem Rohr 42 gebildet, vorzugsweise einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, insbesondere einem rohrförmigen Metallrohr aus INCONEL 600®, einer Dampfmuffe 43, die obere und unter Kanäle 431, 432 jeweils für das Einleiten und Zurückführen des Kühlmitteldampfes bildet, und einer außen umgebenden feuerfesten Beschichtung 45, die vorzugsweise in ihrer Zusammensetzung dem feuerfesten Material 25 entspricht, das die Sauerstoffdüse überdeckt, die in Verbindung mit den Fig. 1-3 beschrieben ist. Eine oder eine Anzahl von horizontal ausgerichteten Öffnungen 48, zwei abwechselnd angeordnete Reihen von Öffnungen 48 sind dargestellt, sind entlang der seitlichen Erstreckung des metallischen Rohrkörpers oder Rohrs 42 vorgesehen. Die Außenseite jeder Öffnung ist an ein nach unten gerichtetes Metallrohr 46 mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser angeschlossen, dessen Zusammensetzung vorzugsweise dem des rohrförmigen Metallkörpers oder dem Rohr 42 entspricht. Eine konzentrisch aufgesetzte Buchse 47 ist oben auf jedem Abschlußende des jeweiligen kleinen Metallrohrs 46 angeordnet und umgibt dessen distales Ende. Das abgeschrägte Vorderende oder die Stirnfläche einer Buchse fluchtet mit der Außenfläche des feuerfesten Materials 45. Die kleinen Rohre sind entlang der Länge des rohrförmigen Körpers angeordnet, und zwar im allgemeinen in gleichen Abständen, zweckmäßigerweise in Intervallen, die von etwa 2,54 cm (1,0 inch) bis etwa 30,5 cm (12 inches), vorzugsweise von etwa 3,8 cm (1,5 inches) bis etwa 7,6 cm (3,0 inches) voneinander reichen.Particular reference is made to Fig. 5, which shows a section 5-5 through the oxygen nozzle 40. The oxygen The oxygen nozzle is formed by a tubular metal body or tube 42, preferably of a nickel-chromium-iron alloy, in particular a tubular metal tube made of INCONEL 600®, a steam sleeve 43 forming upper and lower channels 431, 432 for the introduction and return of the coolant vapor, respectively, and an externally surrounding refractory coating 45, preferably corresponding in composition to the refractory material 25 covering the oxygen nozzle described in connection with Figs. 1-3. One or a number of horizontally aligned openings 48, two alternately arranged rows of openings 48 are shown, are provided along the lateral extent of the metal tubular body or tube 42. The outside of each opening is connected to a downwardly directed metal tube 46 of relatively small diameter, the composition of which preferably corresponds to that of the tubular metal body or tube 42. A concentrically mounted bushing 47 is disposed on top of each terminal end of the respective small metal tube 46 and surrounds the distal end thereof. The beveled front end or face of a bushing is flush with the outer surface of the refractory material 45. The small tubes are disposed along the length of the tubular body generally at equal intervals, conveniently at intervals ranging from about 2.54 cm (1.0 inch) to about 30.5 cm (12 inches), preferably from about 3.8 cm (1.5 inches) to about 7.6 cm (3.0 inches) apart.

Unter Fortsetzung der Bezugnahme auf Fig. 5 erkennt man, daß jedes der kleinen Metallrohre 46 nach unten unter einem Winkel alpha, α, geneigt ist, der von einer Linie senkrecht zur axialen Öffnung durch den rohrförmigen Körper 42 der Düse 40 gemessen wird und der von etwa 15º bis etwa 60º, vorzugsweise von etwa 25º bis etwa 45º reicht. Ferner erstreckt sich das äußere Ende jeder konzentrisch eingepaßten feuerfesten Buchse 47 nach außen über das Abschlußende oder die Spitze von jedem kleinen Metallrohr 46 bis zu einer Distanz d hinaus, die gleich wie mindestens der Durchmesser eines kleinen Metallrohrs 46 ist. Vorzugsweise reicht »d« von etwa 1 bis etwa 10, und insbesondere von etwa 2 bis etwa 6 mal dem Durchmesser eines kleinen Metallrohrs 46. Im wesentlichen sind der gesamte rohrförmige Körper 42, die Dampfmuffe 43 und das kleine Metallrohr 46 von dem feuerfesten Material 45 eingekapselt. Fig. 6 zeigt eine Seitenteilansicht einer kurzen Länge der Düse 40.Continuing to refer to Fig. 5, it will be seen that each of the small metal tubes 46 is inclined downwardly at an angle alpha, α, measured from a line perpendicular to the axial opening through the tubular body 42 of the nozzle 40 and ranging from about 15° to about 60°, preferably from about 25° to about 45°. Further, the outer end of each concentrically fitted refractory sleeve 47 extends outwardly beyond the terminal end or tip of each small metal tube 46 to a distance d equal to is at least the diameter of a small metal tube 46. Preferably, "d" ranges from about 1 to about 10, and more preferably from about 2 to about 6 times the diameter of a small metal tube 46. Substantially the entire tubular body 42, the steam sleeve 43 and the small metal tube 46 are encapsulated by the refractory material 45. Fig. 6 shows a partial side view of a short length of the nozzle 40.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden ausgewählten, jedoch nicht beschränkenden Beispiele besser verstanden, die die herausragenderen Merkmale eines Betriebs mit bevorzugten Sauerstoffreaktordüsen zeigen.The invention will be better understood by reference to the following selected but non-limiting examples which illustrate the more salient features of operation with preferred oxygen reactor nozzles.

example 1

Es wurden Metallverbrennungsversuche vorgenommen, um die überlegene Stabilität einer Sauerstoffreaktordüse aus INCO- NEL 600® gegenüber Sauerstoffreaktordüsen aus 304 S. S. und Monel-Stählen zu demonstrieren. Diese Versuche wurden durch Verfahren ähnlich wie jene durchgeführt, die in "Flammability and Sensitivity of Materials in Oxygen-Enriched Atmospheres," 2ter Band, ASTM STP 910, Herausgeber M.A. Benning beschrieben sind. Besonders Bezug genommen wird auf "Burn Propagation Rates of Metals and Alloys in Gaseous Oxyen" von F.J. Genz, R.C. Shaw und J.M. Homa auf den Seiten 135-152.Metal combustion tests were conducted to demonstrate the superior stability of an INCONEL 600® oxygen reactor nozzle over oxygen reactor nozzles made of 304 S.S. and Monel steels. These tests were conducted by procedures similar to those described in "Flammability and Sensitivity of Materials in Oxygen-Enriched Atmospheres," Volume 2, ASTM STP 910, Editor M.A. Benning. Special reference is made to "Burn Propagation Rates of Metals and Alloys in Gaseous Oxyen" by F.J. Genz, R.C. Shaw and J.M. Homa at pages 135-152.

Beim Vergleichen der Wirkungsweise von INCONEL 600® mit anderen rostfreien Stählen hat sich herausgestellt, daß diese Legierung wesentlich höhere Temperaturen in der Anwesenheit von vorgewärmtem Sauerstoff aushalten kann als beispielsweise solche Stähle wie 304 S. S. und MONEL. Somit wurde die Minimumtemperatur, von der an eine aufwärts gerichtete Verbrennung aufrechterhalten wurde, in Anwesenheit von 2,758 MPa (400 p. s. i. a.) Sauerstoff, für 304 S. S. und INCONEL 600®, als 538ºC (1000ºF) bzw. 1160ºC (2120ºF) gemäß nachfolgender Auflistung gefunden. Während MONEL sich bei Temperaturen bis zu 593ºC (1100ºF) nicht entzündete, wobei letzteres die höchste Tempera tur war, bei der der Versuch gemacht wurde, hatte es den größten Teil seiner nützlichen Festigkeit zu dem Zeitpunkt verloren, als die Temperatur 593ºC (1100ºF) erreicht hatte. In comparing the performance of INCONEL 600® with other stainless steels, it was found that this alloy can withstand much higher temperatures in the presence of preheated oxygen than, for example, such steels as 304 SS and MONEL. Thus, the minimum temperature from which upward combustion was maintained in the presence of 2,758 MPa (400 psia) of oxygen was found to be 538ºC (1000ºF) and 1160ºC (2120ºF) for 304 SS and INCONEL 600®, respectively, as listed below. While MONEL did not ignite at temperatures up to 593ºC (1100ºF), the latter being the highest temperature temperature at which the test was made, it had lost most of its useful strength by the time the temperature reached 593ºC (1100ºF).

Fußnote(1): Verliert Festigkeit bei Temperaturen oberhalb von 593ºC (110ºF).Footnote(1): Loses strength at temperatures above 593ºC (110ºF).

Während diese Versuche keine direkte Anzeige des absoluten Temperaturniveaus sind, bei dem die Verbrennung bei einer kommerziellen Installation aufrechterhalten werden kann, deuten die Ergebnisse die Überlegenheit von INCONEL 600® an. Folglich kann unter Berücksichtigung, daß die 304 S. S. und MONEL-Metalle einem Sauerstoff, der im herkömmlichen Falle auf etwa 260ºC (500ºF) vorgewärmt ist, sicher standhalten können, INCONEL 600® Sauerstoff sicher standhalten, der auf etwa 538ºC (1000ºF) oder mehr vorgewärmt ist. In FBSG und partiellen Oxidationsprozessen beispielsweise kann Sauerstoff, der auf 538ºC (1000ºF) vorgewärmt ist, durch einen INCONEL 600® Düseneinlaß in eine Reaktionszone geleitet und mit Kohlenwasserstoff und Dampf, oder mit Kohlenwasserstoff reagiert werden; und der Kohlenwasserstoff und der Dampf, oder Kohlenwasserstoff, kann in die Reaktionszone über andere Düseneinlässe als diejenigen eingeleitet werden, durch die der vorgewärmte Sauerstoff eingeleitet wird.While these tests are not a direct indication of the absolute temperature level at which combustion can be sustained in a commercial installation, the results indicate the superiority of INCONEL 600®. Consequently, considering that the 304 S.S. and MONEL metals can safely withstand oxygen preheated to about 260ºC (500ºF) in the conventional case, INCONEL 600® can safely withstand oxygen preheated to about 538ºC (1000ºF) or more. In FBSG and partial oxidation processes, for example, oxygen preheated to 538ºC (1000ºF) can be passed through an INCONEL 600® nozzle inlet into a reaction zone and reacted with hydrocarbon and steam, or with hydrocarbon; and the hydrocarbon and the steam, or hydrocarbon, may be introduced into the reaction zone through nozzle inlets other than those through which the preheated oxygen is introduced.

Example 2

Es wurde ein großer FBSG-Versuchsanlagenreaktor mit einer Sauerstoffreaktordüse ähnlich wie die betrieben, die an hand der Fig. 1, 2, 2A und 3 beschrieben wurde; es wurden getrennte Reaktordüsen für Kohlenwasserstoffeinsatzgas und Sauerstoff verwendet, um die Gasströme in das fluidisierte Bett des Reaktors einzuleiten. Der Reaktor enthielt eine Mischung von teilchenförmigem Katalysator und Feststoffverdünnungsmittel- Wärmeübertragungsteilchen. Im Betrieb bestand das Kohlenwasserstoffeinsatzgas aus einer Mischung von Erdgas, Dampf und Kohlendioxid. Der Sauerstoffgasstrom enthielt ferner etwas Dampf und Kohlendioxid, wobei die Reaktion bei 954ºC (1750ºF) und 2,415 MPa (350 psig) ablief, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid über die Dampfreformierung und partielle Sauerstoffreaktionen zu liefern. Die Zusammensetzung des Einsatzproduktes in den Reaktor war folgendermaßen:A large FBSG pilot plant reactor was operated with an oxygen reactor nozzle similar to that used at 1, 2, 2A and 3; separate reactor nozzles for hydrocarbon feed gas and oxygen were used to introduce the gas streams into the fluidized bed of the reactor. The reactor contained a mixture of particulate catalyst and solid diluent heat transfer particles. In operation, the hydrocarbon feed gas consisted of a mixture of natural gas, steam and carbon dioxide. The oxygen gas stream also contained some steam and carbon dioxide, with the reaction occurring at 954°C (1750°F) and 2,415 MPa (350 psig) to provide hydrogen and carbon monoxide via steam reforming and partial oxygen reactions. The composition of the feed to the reactor was as follows:

Hydrocarbon feed gas stream

Mol Erdgas 1,0Mole natural gas 1.0

Mol Dampf/Mol Erdgas 0,53Mol steam/mol natural gas 0.53

Mol CO&sub2;/Mol Erdgas 0,05Mol CO₂/mol natural gas 0.05

Oxygen gas flow

Mol O&sub2;/Mol Erdgas 0,54Mol O₂/mol natural gas 0.54

Mol Dampf/Mol Sauerstoff 0,26Mol steam/mol oxygen 0.26

Mol CO&sub2;/Mol Sauerstoff 0,17Mol CO₂/mol oxygen 0.17

Die normale Gaszusammensetzung, die den FBSG-Reaktor verläßt, hatte die folgende Gaszusammensetzung:The normal gas composition leaving the FBSG reactor had the following gas composition:

Component Mol %

CH&sub4; 4CH4 4

CO 21CO21

H&sub2; 45H2 45

CO&sub2; 8CO2 8

H&sub2;O 22H2O 22

Gesamt 100Total 100

Während des Betriebs wurde das Kohlenwasserstoff-Einsatzprodukt auf 538ºC (1000ºF) vorgewärmt und in den Reaktor injiziert. Der Sauerstoffstrom wurde auf 204ºC (400ºF) vorgewärmt und in den Reaktor über eine Sauerstoffreaktordüse aus INCONEL 600® eingeleitet, deren äußere rohrförmige Metallwand auf eine Temperatur vorgewärmt war, die zwischen 593ºC (1100 ºF) und 649ºC (1200ºF) lag; dies ergab eine geschätzte Temperatur von 427ºC (800ºF) an der Innenwand, an der der fließende Sauerstoffstrom die Metallübergangsfläche kontaktierte. Jede Düsenspitze eines kleinen Metallrohrs der Sauerstoffreaktordüse war nach unten unter einem Neigungswinkel von 30º zur Horizontalen geneigt. Alle Metallteile der Sauerstoffreaktordüse waren aus INCONEL 600® konstruiert und die Muffen oder feuerfesten Spitzen der Sauerstoffreaktordüsen waren aus einer 50/50- Mischung von feuerfestem Jade Set und AA-22 gebildet. Die im Durchmesser kleinen Metallrohre der Sauerstoffreaktordüse hatten 0,704 cm (0,277") Innendurchmesser und die Spitzen der Metallrohre waren 2,54 cm (1,0 inch) vom äußeren Abschlußende oder von der Spitze der feuerfesten Düse beabstandet, d. h. d = 1,0/0,277 oder 3,6.During operation, the hydrocarbon feed was preheated to 1000ºF (538ºC) and injected into the reactor. The oxygen stream was preheated to 400ºF (204ºC) and introduced into the reactor through an INCONEL 600® oxygen reactor nozzle, the outer tubular metal wall of which was preheated to a temperature ranging between 1100ºF (593ºC) and 1200ºF (649ºC); this gave an estimated temperature of 800ºF (427ºC) on the inner wall where the flowing oxygen stream contacted the metal interface. Each nozzle tip of a small metal tube of the oxygen reactor nozzle was inclined downward at an angle of 30º from the horizontal. All metal parts of the oxygen reactor nozzle were constructed of INCONEL 600® and the sleeves or refractory tips of the oxygen reactor nozzles were formed of a 50/50 blend of Jade Set refractory and AA-22. The small diameter metal tubes of the oxygen reactor nozzle had an inside diameter of 0.704 cm (0.277") and the tips of the metal tubes were spaced 2.54 cm (1.0 inch) from the outer terminal end or tip of the refractory nozzle, i.e., d = 1.0/0.277 or 3.6.

Eine sorgfältige Inspektion der Sauerstoffreaktordüse aus INCONEL 600® nach einem Runterfahren des Betriebs zeigte keinen Hinweis auf ein Verbrennen oder einen Verlust an struktureller Integrität.Careful inspection of the INCONEL 600® oxygen reactor nozzle following a shutdown showed no evidence of burning or loss of structural integrity.

Verschiedene Abwandlungen und Veränderungen können im Rahmen des Schutzumfangs der Erfindung gemacht werden, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Während beispielsweise die Zeichnungen eine einzelne Sauerstoffreaktordüse zeigen, die vertikal oder horizontal in einem Reaktor angeordnet ist, kann die Anzahl der Sauerstoffreaktordüsen, die in einem einzelnen Reaktor angeordnet sind, im allgemeinen größer als 1 sein, und zwar in hohem Maße abhängig von der Größe des Reaktors. Daher dient die Darstellung einer einzigen Sauerstoffreaktordüse lediglich dem Zwecke der Erläuterung und ist in keiner Weise beschränkt auf die Anzahl der Sauerstoffreaktordüsen, die in einem einzigen Reaktionsgefäß untergebracht sind.Various modifications and variations may be made within the scope of the invention as defined in the appended claims. For example, while the drawings show a single oxygen reactor nozzle arranged vertically or horizontally in a reactor, the number of oxygen reactor nozzles arranged in a single reactor may generally be greater than one, depending largely on the size of the reactor. Therefore, the illustration of a single oxygen reactor nozzle is for illustrative purposes only and is in no way limited to the number of oxygen reactor nozzles housed in a single reaction vessel.

Claims

1. A process for producing hydrogen and carbon monoxide in a reaction zone by contacting and reacting a low molecular weight hydrocarbon feedstock, steam and oxygen, or a low molecular weight hydrocarbon feedstock and oxygen, fed into the reactor interior via nozzle inlets to create partial oxidation and steam reforming reactions, or partial oxidation reactions, at temperatures ranging from about 1500ºF (815.6ºC) to about 2500ºF (1371.1ºC) and higher, by introducing oxygen having a purity ranging from about 50% to about 100% by volume and heated to a temperature of from about 500ºF (260ºC) to about 1200ºF (648.8ºC) and higher, by a reactor nozzle inlet or through reactor nozzle inlets having a tubular body formed from an alloy comprising at least about 70 wt.% nickel, from about 13 wt.% to about 17 wt.% chromium, and from about 5 wt.% to about 12 wt.% iron and capable of withstanding the heat of oxidation of the preheated oxygen without igniting, burning, or weakening the alloy composition, while the low molecular weight hydrogen feedstock and steam or the low molecular weight hydrocarbon feedstock is fed into the reactor interior via another nozzle inlet.

2. The method of claim 1, wherein the reactor nozzle inlet through which the preheated oxygen is fed is made of from about 70 wt.% to about 80 wt.% nickel, from about 14 wt.% to about 17 wt.% chromium and from about 6 wt.% to about 10 wt.% iron.

3. A process according to claim 1 or 2, wherein the reactor nozzle inlet through which the preheated oxygen is introduced is formed from INCONEL 600® alloy.

4. The process of any one of claims 1 to 3, wherein a hydrocarbon feedstock, steam and oxygen are reacted by contact with a fluidized bed of a particulate solid catalyst or a mixture of catalyst and particulate solid diluent in the presence of a low molecular weight hydrocarbon, steam and oxygen at temperatures ranging from about 1500°F (815.6°C) to about 2000°F (109.3°C) to form partial oxidation and steam reforming reactions.

5. The process of claim 4, wherein the oxygen introduced into the reactor interior is of a purity in the range of about 75% to about 90% or more, wherein the oxygen is preheated to temperatures in the range of about 600°F (315.6°C) to about 1000°F (537.8°C) and more.

6. An apparatus comprising a reaction vessel having walls enclosing a reaction chamber having outlets and having nozzle inlets for introducing a low molecular weight hydrocarbon feedstock, steam, and oxygen, or a low molecular weight hydrocarbon feedstock and oxygen, for reaction at temperatures in the range of about 1500°F (815.6°C) to about 2500°F (1371.1°C) or more to form hydrogen and carbon monoxide, the apparatus further comprising:

- a nozzle inlet or nozzle inlets in the reactor through which high purity preheated oxygen can be introduced into the reaction chamber, the one or more each nozzle inlet comprises a hollow tubular body made or formed from an alloy capable of withstanding the heat of oxidation of the preheated oxygen without ignition and combustion and containing at least about 70 wt.% nickel, from about 13 wt.% to about 17 wt.% chromium, and from about 5 wt.% to about 12 wt.% iron;

- an inlet area for introducing the preheated oxygen,

- an oxygen outlet area,

- a number of relatively small diameter tubes made of the alloy, communicating with the oxygen outlet region, arranged on the tubular body and inclined downwards at an angle in the range 15º to 60º measured from a line perpendicular to the axis of the tubular body,

- refractory bushings fitted concentrically on the small diameter tubes in such a way that their extreme end projects a distance d beyond the terminal end of a respective small diameter tube, the distance d being at least equal to the inside diameter of a small diameter tube and sufficient to prevent ignition, burning or weakening of the alloy by the high temperature and solidification at the tips of the small diameter tubes,

- and an encapsulation of refractory material surrounding the tubular body, small diameter tubes and refractory sleeves to protect the nozzles from the intense heats of reaction while the low molecular weight hydrocarbon feedstock and steam, or the low molecular weight hydrocarbon feedstock, is fed into the reaction chamber through another nozzle inlet.

7. The apparatus of claim 6, wherein from about 1 to about 36 (e.g., 10 to 30) of the small diameter tubes are arranged substantially radially and at substantially equal or evenly spaced intervals around the circumference of the tubular body, each inclined downwardly at an angle, measured from a line perpendicular to the axis or axial opening through the tubular body, ranging from about 25° to about 45°, and wherein the axis of the nozzle is oriented substantially vertically.

8. The apparatus of claim 6, wherein the small diameter tubes are spaced at intervals ranging from about 1.0 inch (2.54 cm) to about 12 inches (30.48 cm) along the length of the tubular body between its proximal and distal ends, each inclined downwardly at an angle ranging from about 25° to about 45° as measured from a line perpendicular to the axial opening through the tubular body, and wherein the axis of the nozzle is disposed or oriented substantially horizontally.

9. The apparatus of claim 8, wherein the small diameter tubes are spaced apart from one another in the range of about 1.5 inches (3.81 cm) to about 3.0 inches (7.62 cm) along the length of the tubular body.

10. Apparatus according to any one of claims 6 to 9, wherein the distance d between the outermost end of a small diameter tube and the outermost end of a refractory sleeve seated concentrically thereon is in the range of from about 1 to about 10 times (e.g. from 2 to 6 times) the inner diameter of the small diameter tube.

11. Apparatus according to any one of claims 6 to 10, wherein the refractory bushings mounted on the small diameter tubes are made of a mixture of a refractory air-curing phosphate-bonded high alumina material which cures at room temperature and a mortar containing a refractory chromium oxide-phosphate-bonded component.

12. The apparatus of claim 11, wherein the refractory composition forming the refractory sleeves contains from about 50% to about 75% by weight of the air-curing phosphate-bonded high alumina refractory material and and from about 50% to about 25% by weight of the mortar containing the chromia-phosphate-bonded refractory component.

13. Apparatus according to any one of claims 6 to 12, wherein the tubular body of the nozzle and the small tubes communicating with the axial opening at the outlet end thereof comprise at least about 70 wt.% (e.g., from 70 to 80 wt.%) nickel, from about 13 wt.% to about 17 wt.% (e.g., from 14 to 17 wt.%) chromium, and from 5 wt.% to about 12 wt.% (e.g., 6 to 10 wt.%) iron.

14. Apparatus according to any one of claims 6 to 13, wherein the tubular body of the nozzle and the small diameter tubes communicating with the axial opening at the outlet end thereof are formed of an INCONEL 600 alloy.